Seule version des automotrices Z 2 pouvant uniquement fonctionner sous caténaire monophasé, les Z 11500 sont apparues tardivement, entre 1986 et 1988 et suivent donc la numérotation de 1985, contrairement à leurs prédécesseurs. D'un point de vue technique, elles sont plus évoluées, avec des redresseurs à thyristors. On remarquera que le pantographe et le transformateurs sont situés sur la remorque, immatriculée dans la série 111500.
Dotées d'aménagements type "omnibus" (comme les Z 7300 et Z 9500), elles sont en priorité destinées aux trains à arrêts fréquents dans le quart Nord Est de la France et sur le réseau luxembourgeois, remplaçant avantageusement des rames composées de matériels vétustes (voitures ex Est, remorques d'autorails...) ou d'autorails fonctionnant sous caténaires.
Les essais très concluants, leur permettent également d'assurer des relations rapides, en correspondance avec les trains grandes lignes. Pour des raisons budgétaires, la commande d'éléments supplémentaires n'a pas eu lieu, alors que d'autres régions comme Nord Pas de Calais sont intéressées par ces engins.
Peu après leur mise en service, la totalité de ces éléments est repeinte en livrée jaune et blanche, couleurs choisies par la Région Lorraine dans le cadre des premiers TER (les régions Alsace et Champagne Ardenne possèdent chacune deux éléments, utilisées en commun). De 2003 à 2006, l'ensemble des engins a été modernisé, avec de nouveaux aménagements intérieurs, la pose de la climatisation et une livrée aux couleurs actuelles des TER (gris métallisé et bande bleue foncée).
L'utilisation de ces automotrices, très soutenue, s'est encore accrue avec la mise en service de la première tranche de la ligne TGV Est en 2007, malgré l'apparition d'automotrices plus modernes (AGC Z 27500, TER 2N NG Z 26500).
Avec la fusion des régions, le parc a été repris par la région Grand Est. Les premières radiations ont commencé fin 2017 suite à l'arrivée de rames Regiolis, cependant 14 rames ont subi une rénovation légère en 2019 afin de prolonger leur utilisation jusqu'en 2024 : outre les nouveau logos régionaux, la reprise des tissus des sièges et rideaux, un nettoyage approfondi, des prises de courant supplémentaires sont installées (16 au lieu de 8). Les rames concernées sont les Z11502, Z11504, Z11507, Z11508, Z11509, Z11510, Z11511, Z11513, Z11514, Z11517, Z11518, Z11519, Z11520 et Z11521.
La compagne des CFL (Chemins de Fer Luxembourgeois) a acquis 22 engins quasi identiques entre 1990 et 1992 ; immatriculés dans la série 2000, ils sont fréquemment visibles sur le réseau français.
| Année | 1986 | 1987 | 1988 |
| Mises en service | 1 | 19 | 2 |
| Parc total en fin d'année | 1 | 20 | 22 |